|
欲知蛋白泛素化的秘密，且听老谈娓娓道来。 蛋白作为生命功能的主要的执行物质，其功能研究一直备受青睐。而蛋白之所以神通广大，翻译后修饰（post-translational modification，PTM）居功至伟。这是因为蛋白的个别氨基酸残基被共价修饰后，其理化性质、构象等也随之改变，可显著影响蛋白的功能。 目前已知的PTM多达数百种，而几乎所有的蛋白质均可发生PTM，且同一个蛋白质还可同时具有多种PTM，如此不仅能指数级地扩增了蛋白质的种类，更是赋予了人类生命过程更多的复杂性。 PTM作为一种生物功能的调控机制，其重要性不亚于转录和蛋白表达调控，因而近年来关于翻译后修饰的研究也逐渐呈现出井喷之势。 目前针对PTM功能的认识，主要集中在磷酸化、泛素化、乙酰化、糖基化等少数常规性修饰，而《二十四型》课程也将针对PTM开设一系列课程进行细致的讲解，本期课程则主要聚焦于蛋白泛素化。 1、泛素化的关键组分 一般蛋白泛素化后，会被泛素-蛋白酶体系统（UPS）识别并降解，是下调蛋白表达的主要机制。 在UPS系统中，泛素是一个普遍存在于真核细胞内的由76个氨基酸组成的小肽（8.5 kDa）。该肽序列高度保守，且含有7个赖氨酸位点(K6、K11、K27、K29、 K33、 K48和K63)和1个位于C端的甘氨酸(Gly)位点以及位于N端的甲硫氨酸(Met1)位点。 依据靶蛋白泛素链上的泛素分子是否通过同一个氨基酸残基彼此相连，可将其分为同型或异型泛素化修饰（如图1A和图1B）。此外，泛素自身也能被翻译后修饰，如磷酸化或乙酰化修饰等，可使得泛素化过程变得更为复杂，如图1C。 图1：A，同型的多聚泛素化修饰；B，异型的多聚泛素化修饰；C，泛素的乙酰化和磷酸化 而泛素化过程通常需要3种泛素化酶的协同作用：泛素激活酶 E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3。其中，E1是起始泛素化反应的酶，可在ATP的作用下，将两个泛素分子C端甘氨酸的羧基以高能的硫羟酸酯键连接到E1自身的活性半胱氨酸的巯基侧链上。 E2是泛素化反应的中间酶，可将激活的泛素分子通过硫酯键结合至其高度保守的泛素结合结构域（UBC）的半胱氨酸(Cys)位点，形成E2-泛素复合物。 E3则能够特异性地识别靶蛋白质，指导泛素分子从E2转移到底物上，并共价结合特定的赖氨酸残基。E3可以分为单亚基蛋白质和多亚基复合物（表1）。 表1：泛素蛋白连接酶E3酶的分类 其中，HECT和RING是E3分类中最大的两个家族。HECT家族的E3酶利用保守的半胱氨酸接受从E2转移来的泛素分子形成E3和泛素之间的硫酯，然后再将泛素分子由这种共价结合的“E3-泛素”中间体转移到底物上，是一个两步骤的过程（图2A）。 而RING家族的E3酶将泛素分子直接从E2-泛素复合物中转移到底物上，在这个过程中，RING家族的E3酶不与泛素分子发生结合，是一个一步骤的过程（图2B）。 图2：HECT和RING家族的E3酶在泛素化过程中的运行机制示意图 与其他PTM相似，泛素化也是一个被严格调控的可逆过程。而去泛素化酶（DUB）可移除蛋白质上的单聚泛素分子或多聚泛素链，使泛素化修饰具有良好的平衡性。DUBs主要可分为半胱氨酸蛋白酶（cysteine proteases）和金属蛋白酶（metalloproteases）两大类（表2）。 表2：去泛素化酶(DUB)的分类 半胱氨酸蛋白酶可通过半胱氨酸、组氨酸、天冬氨酸以及天冬酰胺活性位点去催化泛素分子和底物之间的酰胺键的水解；金属蛋白水解酶则利用锌离子和组氨酸、天冬氨酸以及丝氨酸之间形成的特有结构，激活水分子，促进它们破坏泛素分子和底物之间形成的异肽键。 而蛋白酶体则是一个多亚基26S蛋白酶复合体，由20S蛋白酶体和19S亚复合体构成(图3) ，是哺乳动物细胞中主要的中性蛋白水解酶。 图3: 26 S蛋白酶体结构示意图 其中，每个19S亚复合体含有多个ATP酶活性位点和泛素结合位点，可识别泛素化的靶蛋白，并可对靶蛋白去泛素化以及打开靶蛋白的结构折叠。 而20S蛋白酶体则是由两个α环和两个β环可共同组成一个圆筒状结构。α环和β环均含有7个相同的亚基，α环位于外层，主要用于底物的识别；β环位于内层，主要负责催化底物的降解。 2、泛素化的反应过程 整个泛素化过程，可以被描述为6个步骤： 1）E1酶激活泛素分子，需要消耗ATP，同时形成E1-泛素的中间产物； 2）泛素分子从E1上被转移到E2酶上，形成一个E2-泛素的中间产物； 3）E3酶先识别待降解的靶蛋白，然后E3酶再识别E2-泛素中间产物，从而形成一个包含E2-泛素中间产物，E3酶和靶蛋白的复合物。同时，E3介导泛素标记物从E2酶转移到靶蛋白上； 4）E2酶和E3酶，从上述的复合物中释放，从而形成被泛素标记的靶蛋白； 5）重复上述过程，直到蛋白质上连接的多个泛素形成一条泛素链； 6）被泛素化的靶蛋白，会被26S蛋白酶体识别和降解。 在整个泛素化过程中，泛素蛋白连接酶E3是最关键的分子，它有多重作用：1）E3能特异性地识别并结合底物靶蛋白；2）E3介导了泛素从E2-泛素中间产物转移到底物靶蛋白上的整个过程。因此，E3是泛素化过程中最关键的酶。 图4：泛素化过程模式图 3、泛素化的生理功能 现已发现泛素介导的蛋白质降解，可多层面参与调节各个生理过程以维持细胞稳态，本期课程也只是简单介绍了其中比较重要的几个例子。 （1）阻止植物的自授粉 多数植物都是雌雄同株的，而自授粉现象可减弱基因多样性，长久则会导致该物种的灭绝。但泛素介导的蛋白质降解则可排斥自身产生的花粉。 （2）泛素化修饰与细胞周期调控 SCF与APC/C 这两种E3酶对细胞周期调控最为重要，它们都含有cullin(在SCF中)或cullin相关脚手架蛋白(在APC/C中)作为RING结构域结合E2-泛素中间产物以及底物，从而催化泛素化反应。 细胞周期的调控依赖于细胞和E3酶之间的双向调控关系：1）E3酶复合物SCF、APC/C可通过促进细胞周期相关蛋白的降解，来调控细胞周期的转化。一般，SCF识别降解蛋白需要蛋白底物进行磷酸化修饰，而APC/C识别降解蛋白则不依赖底物的磷酸化。 2）同时，细胞也可以通过磷酸化等方式，反过来调控了SCF和APC/C 的活性。如SCF底物的去磷酸化或磷酸化APC/C复合物均能抑制E3酶对于底物的识别和降解。 （3）泛素化修饰与受体内化 配体诱导的跨膜受体的激活，可启动一系列胞内信号通路而调控关键的细胞生物学过程。因而受体通路的时空调控对细胞正确的生物学功能极为重要。 而受体的泛素化修饰，则通过促进受体内化并靶向溶酶体降解，从而确保受体通路的及时终止。如受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases，RTKs) 的泛素化修饰研究中的EGFR，可招募E3酶Cb1到激活的EGFR胞内段的磷酸酪氨酸残基部位，促进激活的EGFR发生泛素化。 （4）泛素化修饰与细胞凋亡 越来越多的研究发现对凋亡蛋白的泛素化修饰在细胞死亡信号通路中起着重要的作用。如抑癌基因p53的负调控因子MDM2（E3酶）可介导p53的泛素化，促进p53的降解；又如凋亡抑制因子IAP家族就可通过对凋亡不同途径和不同底物的泛素化修饰，抑制线粒体途径的凋亡通路和外源性凋亡通路。 |
|
|
